Kinetics of quartz sand and its mixtures drying by microwave radiation

Abstract

Purpose. Kinetics research and description of drying by microwave radiation mechanism development of quartz sand and its mixes with sodium silicate in limited quantity of water steam medium. Methodology. Distilled water, sodium silicate solute and quartz sand have been used in this research. Study has been performed on sand samples weighing 200 g. Mixtures drying and structuring have been performed by microwave radiation with power of 700 W with frequency of 2.45 GHz in air and in saturated water weighing 1 g steam medium. Accuracy of temperature measurement is 1 °С, mass is 0.02 g. Realized in this investigation drying kinetics has been specified as specimen weight change dependence and moisture evaporation from this mixture rate vs. drying duration. Dependencies have been built on the results of video recording and corresponding chrono-gravimetric measurements data digitalization. Mixtures during heating by microwave radiation temperature changes registration has been performed with an interval of 15–60 s. Samples average heating rate has been estimated by calculation based on results in their temperature change determination during first 2 minutes of heating with microwave radiation. Findings. For the first time, microwave drying kinetics of quartz sand and its mixtures with sodium silicate in limited water medium (structured by SMS-process) has been studied. For the first time, based on SMS-process material balance, analytical dependence has been developed. This dependence application allows sand-sodium-silicate mixture structured by SMS-process maximum mass to calculate when using sodium silicate solute (silicate module 2.8–3.0) for quartz sand cladding and 1 g of saturated water steam for mixture structuring. It has been established that when mixtures structuring according to SMS-process water extraction from them takes place in three stages – at ~100, 100–108 and at 125–138 °С. Maximum appropriate heating temperature of sand-sodium-silicate mixture during structuring by SMS-process has been recommended as ~125 °С. Exceeding of specified temperature leads to hydrated water from mixture releasing in steam form and its condensation on colder working surface of model-rod rigging. Resulting condensate leads to mixture restructuring in contact with equipment places and, accordingly, sharp quality deterioration in prepared molds and rods. For manufactured molds and rods quality stabilization, it has been recommended to pre-dry the quartz sand cladded with sodium silicate solute in microwave field for at least 3 minutes before structuring according to SMS-process. Originality. For the first time, data on drying kinetics has been obtained and quartz sand and its mixtures with sodium silicate in limited water steam medium microwave drying mechanism description has been developed. Influence of number of SMS-process basic parameters on structured quartz sand weight regularities has been established. Practical value. Research results will be useful in terms of ideas expanding about the processes that accompany granular materials drying, as well as in technologies and equipment for drying and structuring fine-grained dielectric materials and their mixtures development, creating new capillary-porous media, etc. under microwave radiation influence.

Исследование кинетики и установление меха­низма сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограни­ченного количества водяного пара. Методика. В работе использовали дистиллированную воду, жидкое стекло и кварцевый песок. Исследования проводились на навесках песка массой 200 г. Сушку и структурирование смесей проводили микроволновым излучением мощностью 700 Вт с частотой 2,45 ГГц на воздухе и в среде насыщенного водяного пара массой 1 г. Точность измерения температуры – 1 °С, массы – 0,02 г. Кинетика сушки, принятая в работе – зависимость из­ менения массы навески и скорости испарения из неё влаги от продолжительности сушки. Зависимости строи­ли по результатам видеорегистрации и оцифровки дан­ных соответствующих хроно-гравиметрических измере­ний. Измерение изменений температуры навесок смесей при нагреве микроволновым излучением проводили с интервалом 15–60 с. Среднюю скорость нагрева навесок определяли расчетным путем по результатам определе­ния изменения их температуры за первые 2 минуты на­грева микроволновым излучением. Результаты. Впервые исследована кинетика и описан механизм сушки микроволновым излучением кварцево­го песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограни­ченного количества водяного (структурированного по ПМО-процессу). Впервые на основе материального ба­ланса ПМО-процесса разработана аналитическая зави­симость, использование которой позволяет рассчитать максимальную массу песчано-жидкостекольной смеси, структурированной по ПМО-процессу, при использова­нии для плакирования кварцевого песка натриевого жидкого стекла (силикатный модуль 2,8–3,0) и 1 г насы­щенного водяного пара для структурирования смеси. Установлено, что при структурировании смесей по ПМО-процессу выделение из них воды проходит в три этапа – при ~100, 100–108 и при 125–138 °С. Рекоменду­емая максимально допустимая температура нагрева пес­ чано-жидкостекольной смеси при структурировании по ПМО-процессу составляет ~125 °С. Превышение указан­ной температуры приводит к выделению гидратной воды в смеси в виде пара и его конденсации на более холодной рабочей поверхности модельно-стержневой оснастки. Возникший конденсат приводит к переструктуризации смеси в местах ее контакта с оснасткой и, соответствен­но, резкому ухудшению качества изготовленных литей­ных форм и стержней. Для стабилизации качества при изготовлении литейных форм и стержней рекомендуется до начала структурирования по ПМО-процессу плакиро­ванный натриевым жидким стеклом кварцевый песок предварительно просушить в поле микроволнового излу­чения в течение не менее 3 минут. Научная новизна. Впервые получены данные о кине­тике сушки и описан механизм сушки микроволновым излучением кварцевого песка и его смесей с силикатом натрия в среде ограниченного количества водяного пара, установлены закономерности влияния ряда основных параметров ПМО-процесса на массу структурированно­го кварцевого песка. Практическая значимость. Результаты исследований будут полезны в части расширения представлений о про­цессах, которые сопровождают сушку зернистых матери­алов, а также при разработке технологий и оборудова­ния, предназначенных для сушки и структурирования мелкозернистых диэлектрических материалов и их сме­сей, создания новых капиллярно-пористых сред и т.п. под влиянием микроволнового излучения.

Мета. Дослідження кінетики та встановлення механізму сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної пари. Методика. У роботі використовували дистильовану воду, рідке скло та кварцовий пісок. Дослідження проводили на наважках піску масою 200 г. Сушіння та структурування сумішей проводили мікрохвильовим випромінювання потужністю 700 Вт із частотою 2,45 ГГц на повітрі та у середовищі насиченої водяної пари масою 1 г. Точність вимірювання температури – 1 °С, маси – 0,02 г. Кінетика сушіння, що була прийнята в роботі – залежність зміни маси навішення та швидкості випаровування з нього вологи від тривалості сушіння. Залежності будували за результатами відеореєстрації та оцифровки даних відповідних хроно-гравиметричних вимірювань. Вимір змін температури наважок сумішей при нагріванні мікрохвильовим випромінюванням проводили з інтервалом 15–60 с. Середню швидкість нагріву наважок визначали розрахунковим шляхом за результатами визначення зміни їх температури за перші 2 хвилини нагрівання мікрохвильовим випромінюванням. Результати. Уперше досліджена кінетика та описано механізм сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної (структурованого за ПМЗ-процесом). Уперше на основі матеріального балансу ПМЗ-процесу розроблена аналітична залежність, використання якої дозволяє розрахувати макси­мальну масу піщано-рідкоскляної суміші, структурованої за ПМЗ-процесом, при використанні для плакування кварцового піску натрієвого рідкого скла (силікатний модуль 2,8–3,0), та 1 г насиченої водяної пари для структурування суміші. Встановлено, що при структуруванні сумішей по ПМЗ-процесу, виділення з них води проходить у три етапи – при ~100, 100–108 і при 125–138 °С. Рекомендована максимально припустима температура нагрівання піщано-рідкоскляної суміші під час структурування за ПМЗ-процесом складає ~125 °С. Перевищення зазначеної температури призводить до виділення гідратної води в суміші у вигляді пари та її конденсації на холоднішій робочій поверхні модельно-стрижневого оснащення. Виниклий конденсат призводить до переструктуризації суміші в місцях її контакту з оснащенням і, відповідно, різкого погіршення якості виготовлених ливарних форм і стрижнів. Для стабілізації якості при виготовленні ливарних форм і стрижнів рекомендовано до початку структурування за ПМЗ-процесом плакований натрієвим рідким склом кварцовий пісок попередньо просушити в полі мікрохвильового випромінювання протягом не менше 3 хвилин. Наукова новизна. Уперше отримані дані про кінетику сушіння та описано механізм сушіння мікрохвильовим випромінюванням кварцового піску та його сумішей з силікатом натрію в середовищі обмеженої кількості водяної пари, встановлені закономірності впливу ряду основних параметрів ПМЗ-процесу на масу структурованого кварцового піску. Практична значимість. Результати досліджень будуть корисні в частині розширення уявлень щодо процесів, які супроводжують сушку зернистих матеріалів, а також при розробці технологій та обладнання, призначених для сушіння й структурування дрібнозернистих діелектричних матеріалів і їх сумішей, створення нових капілярнопористих середовищ і т.п. під впливом мікрохвильового випромінювання.